ANALIZA TECHNICZNA I FINANSOWA INSTALACJI DO … · PN-92/B-01706: temperatura wody zimnej T z = 5 ˚C [11], woda podgrzana jest do odpowiedniej temperatury, dolne źródło ciepła

odzysk ciepła, ścieki szare

Dorian CZARNIECKI*, Vyacheslav PISAREV**, Józef DZIOPAK*, Daniel SŁYŚ*

ANALIZA TECHNICZNA I FINANSOWA INSTALACJI

DO ODZYSKU CIEPŁA ZE ŚCIEKÓW

W BUDYNKACH WIELORODZINNYCH

Jednym z nowoczesnych i efektywnych sposobów dbania o energię i ochronę środowiska jest wyko-

rzystanie ciepła ze źródeł odpadowych. Malejące zasoby paliw kopalnych i rosnące zanieczyszczenie

środowiska naturalnego związane z ich stosowaniem to jedne z problemów współczesnej energetyki.

Rozwiązuje się je przez rozwój technik umożliwiających pozyskiwanie i przetwarzanie energii oraz

racjonalizację jej wykorzystania. Odpowiedzią na taki trend jest system odzysku ciepła ze ścieków

odprowadzanych z natrysków i pralek. Celem niniejszego artykułu było porównanie instalacji umoż-

liwiających odzysk ciepła ze ścieków szarych do zaopatrzenia budynku wielorodzinnego w ciepłą

wodę użytkową, jak również analiza finansowa ich zastosowania w ustalonych uwarunkowaniach.

1. WSTĘP

Prognozy i ogólnoświatowe trendy wskazują, że w najbliższych latach, a i także

w dalszej przyszłości, trzeba się liczyć ze znacznym wzrostem kosztów energii

w stosunku do kosztów budowli, konstrukcji czy samych urządzeń, w tym grzew-

czych. W wyniku tego budownictwo energooszczędne i pasywne uległo w ostatnim

okresie zdecydowanemu ożywieniu. Daje się zauważyć tendencje do stosowania roz-

wiązań energooszczędnych, które umożliwiają przede wszystkim obniżenie kosztów

przygotowania ciepłej wody użytkowej, ale również ochronę środowiska naturalnego.

Główną przyczyną tego podejścia są właśnie rosnące ceny tradycyjnych nośników

energii oraz poprawa świadomości ekologicznej społeczeństwa.

__________

* Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukasiewicza, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowi-

ska, Katedra Infrastruktury i Ekorozwoju, Al. Powstańców Warszawy 12, 35-959 Rzeszów. ** Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukasiewicza, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środo-

wiska, Zakład Ciepłownictwa i Klimatyzacji, Al. Powstańców Warszawy 6, 35-959 Rzeszów.

Analiza techniczna i finansowa instalacji do odzysku ciepła ze ścieków… 133

Na skutek wprowadzenia świadectw energetycznych w Polsce, zwracana jest rów-

nież uwaga na zastosowanie rozwiązań energooszczędnych w celu uzyskania lepszej

oceny energetycznej budynku, co przekłada się na korzystniejszą wycenę nieruchomo-

ści. Mając to na względzie należy dać pierwszeństwo wszystkim systemom oszczędza-

jącym energię i obniżającym koszty jej wytwarzania lub umożliwiającym jej pozyska-

nie w sposób tani z nowych źródeł, nawet w sytuacji, gdy obecnie koszty te wydają się

nieco wyższe. W związku z powyższym coraz częściej stosuje się wymienniki oraz

pompy ciepła odzyskujące zdeponowane w ściekach ciepło odpadowe, zwłaszcza

jeżeli rozwiązanie to wspomaga i uzupełnia system przygotowania ciepłej wody użyt-

kowej.

W Polsce odzysk ciepła ze ścieków szarych w instalacjach kanalizacyjnych jest

spotykany niezwykle rzadko, jednakże przedstawione w literaturze [15] przykłady

uzasadniają celowość zainteresowania się tą formą wykorzystania energii odpadowej

niesionej przez ścieki. Przybliżono wyniki analiz zagospodarowania energii cieplnej

zgromadzonej w ściekach odpływających z takich obiektów, jak: hotelowa sauna,

szkolne prysznice, obiekt gastronomiczny czy budynek jednorodzinny.

Celem opracowania było porównanie różnych systemów z instalacją do odzysku

ciepła ze ścieków szarych w małych i średnich budynkach wielorodzinnych w połu-

dniowo-wschodniej Polsce.

2. WARIANTY ROZWIĄZAŃ INSTALACJI Z ODZYSKIEM CIEPŁA

NA POTRZEBY PRZYGOTOWANIA CIEPŁEJ WODY UŻYTKOWEJ

2.1. WPROWADZENIE

Obiekty wielorodzinne charakteryzują się nierównomiernym rozłożeniem obciąże-

nia zrzutu ścieków do kanalizacji w ciągu doby. Zależy to od liczby działających jed-

nocześnie natrysków i urządzeń pralniczych. W związku z tym, w instalacji należy

zastosować zbiornik retencyjny na ścieki, który umożliwi stały ich dopływ do układu

odzysku ciepła. Z kolei przekazane ciepło do wody świeżej należy akumulować

w zasobnikach ciepłej wody użytkowej. Dla odzysku ciepła ze ścieków szarych może

być wykorzystana efektywna pompa ciepła. Należy zastosować filtr wstępny ścieków

(łapacz włosów i włókien). W związku z powyższym układ do odzysku ciepła ze ście-

ków szarych może się składać z następujących elementów: zbiornika retencyjnego

ścieków szarych, filtra wstępnego ścieków, pompy ścieków, wymiennika lub pompy

ciepła oraz orurowania i zaworów, a także automatyki umożliwiającej współpracę

z układami wodno-kanalizacyjnymi i przyłączy ścieków [1]. W budownictwie miesz-

kaniowym istnieje teoretycznie możliwość odzyskania części ciepła odprowadzanego

w postaci ścieków. Na przykład, zasoby ciepła usuwanego z pomieszczeń wraz ze

D. CZARNIECKI i in. 134

ściekami przy zużyciu c.w.u. około 80 dm3/(Mk∙d), wynoszą prawie 90 MJ/(m

3∙rok)

[13]. Jednak wykorzystanie tych zasobów wymaga zmiany rozwiązań instalacji kana-

lizacyjnej, polegającej na oddzieleniu pionów kanalizacji fekalnej od kanalizacji

odprowadzającej ścieki bytowe zwane ściekami szarymi (np. wanna, natryski, pralki).

Instalację odzysku ciepła dla nowobudowanego budynku wielorodzinnego z uwzględ-

nieniem różnej liczby mieszkańców przeanalizowano dla trzech wariantów:

Wariant I - z pompą ciepła i wymiennikiem ciepła,

Wariant II - z wymiennikiem ciepła,

Wariant III - z pompą ciepła.

W związku ze stratami ciepła w instalacjach kanalizacyjnych można założyć, że

średnia temperatura ścieków odprowadzanych z urządzeń pralniczych i natrysków,

odprowadzanych dalej do zbiornika retencyjnego, wynosi 35 ˚C [15].

2.2. OPIS WARIANTU I

Zakłada się, że wykorzystywana do użytku jest ciepła woda zgromadzona w zbior-

niku. Woda w zbiorniku ścieków szarych ma temperaturę 35 ˚C. Oddaje zdeponowane

w nich ciepło w wymienniku ścieki/woda ochładzając się do temperatury 10 ˚C,

a w dalszej kolejności, w parowniku pompy ciepła, do 5 ˚C. Jednocześnie woda świe-

ża podgrzewana jest na wymienniku z 5 ˚C do 23,7 ˚C, a następnie w skraplaczu pom-

py ciepła do 29,1 ˚C. Ochłodzone w ten sposób ścieki trafiają do sieci kanalizacyjnej

i kierowane są do oczyszczalni. Poniżej przedstawiono schemat analizowanego układu

odzysku ciepła (rys. 1). W przypadku dużej ilości domieszek w ściekach szarych

rekomendowany jest system z wykorzystaniem dodatkowego wymiennika ciepła dla

polepszenia warunków eksploatacji (rys. 2). Założono spadek temperatury na dodat-

kowym wymienniku ciepła, który przyjęto na 2 ˚C, co jest charakterystyczne dla

wymienników ciepła rozpatrywanego typu.

Rys. 1. Schemat systemu odzysku ciepła ze ścieków w celu podgrzewania wody użytkowej w budynku

wielorodzinnym z wykorzystaniem wymiennika ciepła i pompy ciepła (wariant I) według [15]


Rys. 2. Schemat systemu odzysku ciepła ze ścieków rekomendowany

w przypadku dużej ilości domieszek w ściekach szarych

2.3. OPIS WARIANTU II

W wariancie drugim dokonano analizy przy zastosowaniu jedynie wymiennika

ciepła ścieki/woda (rys. 3) jako sposobu na odzysk ciepła. Ścieki szare o temperaturze

35 ˚C oddają zdeponowane w nich ciepło ochładzając się do temperatury 8 ˚C, co

wynika z zasad wymiany ciepła w wymiennikach ciepła. Odzyskane w ten sposób

ciepło umożliwia podgrzanie zimnej wody z sieci o temperaturze 5 ˚C na poziom

25,2 ˚C. Szare ścieki po przejściu przez wymiennik ciepła odprowadzone są do sieci

kanalizacyjnej.


wielorodzinnym z wykorzystaniem wymiennika ciepła (wariant II)


2.4. OPIS WARIANTU III

Wariant trzeci polega na zastosowaniu jedynie pompy ciepła odzyskującej ciepło

odpadowe ze ścieków szarych. Podgrzewanie świeżej wody z sieci następuje w skra-

placzu pompy ciepła (rys. 4). Podczas odprowadzania do kanalizacji ścieków szarych

o temperaturze 35 ˚C następuje ich schłodzenie w parowniku ścieków pompy ciepła

do 5 ˚C. Jednocześnie następuje podgrzanie wody świeżej w skraplaczu pompy ciepła

z 5 ˚C do 37,4 ˚C.


wielorodzinnym z wykorzystaniem pompy ciepła (wariant III)

W informacjach uzyskanych od producentów pomp ciepła, dostępne urządzenia

posiadają ograniczony zakres temperatury dolnego nośnika ciepła. Przykładowo

pompy ciepła firmy Viessmann posiadają ograniczenie do 25˚C [8], na co należy

zwrócić uwagę i co stanowi warunek przy prowadzeniu analizy. Schemat takiego sys-

temu przedstawiono na rysunku 5. Czynnik w obiegu pośredniczącym przepływa

w przeciwprądzie w wymienniku parownika pompy ciepła. Wysoka temperatura

czynnika w obiegu pośredniczącym w przypadku przeciwprądu daje możliwość jej

wykorzystania do przegrzania pary czynnika chłodniczego w pompie ciepła, co jest

połączone z warunkami eksploatacji sprężarek (rys. 5).

Warunki działania pompy ciepła w analizowanym wariancie są niekorzystne na

skutek dużych różnic temperatur, zarówno po stronie dolnego, jak i górnego źródła

ciepła. Pompa ciepła musi ogrzać wodę z 5 ˚C do 37,4 ˚C ochładzając przy tym ścieki

z 35 ˚C do 5 ˚C. Interesująca może okazać się analiza techniczna i finansowa układu

z zastosowaniem dwóch mniejszych pomp ciepła w miejsce jednej większej. Pompa

ciepła 1 podgrzewałaby wodę z sieci z 5 ˚C do temperatury 21 ˚C, natomiast pompa

ciepła 2 podgrzewałaby ją dalej do wymaganej temperatury, co mogłoby znacznie

wpłynąć na poprawę współczynników wydajności grzejnych tych urządzeń technicz-

nych. Schemat tego rozwiązania przedstawiono na rysunku 6.


Rys. 5. Schemat systemu z uwzględnieniem warunków eksploatacyjnych pomp ciepła

według zaleceń producentów


wielorodzinnym z wykorzystaniem dwóch pomp ciepła o mniejszej mocy

3. OBLICZENIA WARIANTÓW INSTALACJI Z ODZYSKIEM CIEPŁA

ZE ŚCIEKÓW SZARYCH

3.1. DANE WYJŚCIOWE

Poniżej przedstawiono analizę techniczną i finansową różnych wariantów układów

odzysku ciepła w budynku wielorodzinnym, dokonując wstępnych założeń i bazując

na danych wyjściowych, którymi są:


liczba mieszkańców budynku wielorodzinnego: M1 = 40 osób,

M2 = 200 osób;

parametry instalacji ciepłej wody użytkowej zgodnie z normą

PN-92/B-01706: temperatura wody zimnej Tz = 5 ˚C [11], woda podgrzana

jest do odpowiedniej temperatury,

dolne źródło ciepła - ścieki szare o temperaturze Tść = 35 ˚C [15];

górne źródło ciepła - instalacja zasilająca pojemnościowy zasobnik ciepłej

wody.

3.2. ZAPOTRZEBOWANIE NA MOC CIEPLNĄ DO PRZYGOTOWANIA CIEPŁEJ WODY

UŻYTKOWEJ W BUDYNKU WIELORODZINNYM

Obliczenie zapotrzebowania na moc cieplną do przygotowania ciepłej wody

użytkowej w budynku wielorodzinnym wykonano według [10]. Stanowi ona część

wspólną dla trzech rozpatrywanych sposobów odzysku ciepła. W obliczeniach

uwzględniono 18 godzin na użytkowanie instalacji w przedziale od 600

do 2400

.

W tabeli 1 dokonano zestawienia wyników obliczeń zapotrzebowania na ciepło na

cele ciepłej wody użytkowej.

Tabela 1. Zestawienie wyników obliczeń zapotrzebowania na moc cieplną do przygotowania ciepłej

wody użytkowej w budynku wielorodzinnym

Zestawienie wyników zapotrzebowania na ciepło w celu przygotowania ciepłej wody użytkowej

Liczba mieszkańców [Mk] 40 200

Średnie dobowe zapotrzebowanie na ciepłą

wodę użytkową qśr d [dm3/d] 4800 24000

Średnie godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą

wodę użytkową qśr h [dm3/h] 266,7 1333,3

Średnia moc układu ciepłej wody użytkowej Qśr

h [kW] 13,84 68,96

Maksymalne godzinowe zapotrzebowanie na

ciepłą wodę użytkową qmax h [dm3/h] 1010,79 3413,32

Maksymalna moc układu ciepłej wody użytko-

wej Qmax h [kW] 52,37 176,80

Objętość zasobnika ciepłej wody użytkowej Vz

[dm3] 625 2205

Typ zasobnika ciepłej wody użytkowej

Vitocell 100-L o pojem-

ności 750 l z grzałką

elektryczną [8]

3 x Vitocell 100-L

o pojemności 750 l

z grzałką elektryczną

[8]

Współczynnik redukcji ψ [-] 0,54 0,68

Zredukowana moc układu do przygotowania

ciepłej wody Qz [kW] 31,78 135,08


3.3. STRUMIEŃ PRZEPŁYWU ŚCIEKÓW SZARYCH W BUDYNKU WIELORODZINNYM

W obliczeniach przyjęto dane przedstawione w [6], z których wynika, że na po-

trzeby kąpieli pod prysznicem zużywane jest w Polsce około 40 dm3/(Mk∙d) wody i są

to dane uśrednione. W rzeczywistości na wartość tą wpływa wiele czynników,

a głównymi są: region, cena wody, przyzwyczajenia mieszkańców, rodzaj stosowanej

słuchawki prysznicowej czy stosowane ograniczniki wypływu wody, i zużycie to mo-

że się różnić w poszczególnych mieszkaniach. W obliczeniach uwzględniono czas

użytkowania instalacji w godzinach od 600

do 1000

i 1800

do 2400

, co stanowi 10 godzin

dziennie.

Przyjęto założenie, że dziennie wykonywane będą 4 prania po dwa wsady w obiek-

cie 40 osobowym i 20 prań po dwa wsady w obiekcie 200 osobowym (Mk). Dla po-

trzeb obliczeń założono dane z [16], które zakładają że pralka przy wypełnieniu 80%

zużywa średnio podczas jednego prania 50 dm3 wody.

Wyniki przeprowadzonych obliczeń zamieszczono w tabeli 2.

Tabela 2. Zestawienie wyników obliczeń przepływu ścieków w budynku wielorodzinnym

Strumień objętości ścieków szarych


Średni dobowy przepływ obliczeniowy ścieków szarych

z pryszniców qśr d [dm3/d] 1600 8000

Średni dobowy przepływ obliczeniowy ścieków szarych

z pralek qśr d [dm3/d] 400 2000

Średni godzinowy przepływ ścieków szarych qśr h [dm3/h] 200 1000

3.4. DOBÓR WYMIENNIKA CIEPŁA

Obliczenia i dobór wymiennika ciepła ścieki/woda dokonano wykorzystując pro-

gram obliczeniowy wymienników ciepła firmy Danfoss „Danfoss Hexact 1.5.7” [12],

zgodnie z zaleceniami producenta. Dla powyższych parametrów strumieni przepływu

wody z sieci (tab. 1) i ścieków szarych (tab. 2) oraz temperatur obu mediów dobrano

wymienniki płytowe skręcane XG10-1-60 oraz XG20H-1-70 firmy Danfoss,

w zależności od liczby użytkowników instalacji, a uzyskane wyniki obliczeń przed-

stawiono w tabeli 3. Aby zwiększyć wydajność odzysku ciepła ze ścieków

w wariancie II przyjęto, że ścieki szare ochładzać się będą na wymienniku płytowym

nie do 10 ˚C, jak w przypadku wariantu I, a do 8 ˚C.

3.5. DOBÓR POMPY CIEPŁA WODA/WODA WSPÓŁPRACUJĄCEJ ZE ŚCIEKAMI

Moc grzejną pompy ciepła Qpc obliczono ze wzoru [3]:


(1)

gdzie:

Qz – obliczeniowe zapotrzebowanie na moc cieplną do przygotowania c.w.u., kW;

tz – czas wykorzystania zasobnika (postój pompy ciepła), przyjęto tz = 9 h.

Tabela 3. Zestawienie wyników obliczeń do doboru wymiennika ciepła

Typ Wymiennik ciepła XG10-1-60 Wymiennik ciepła XG20H-1-70

Liczba

mieszkań-

ców

40 200

Wariant

obliczeń I II I II

Obliczone

parametry

Strona

wody

siec.

Strona

ścieków

szarych

Strona

wody

siec.

Strona

ścieków

szarych

Strona

wody

siec.

Strona

ścieków

szarych

Strona

wody

siec.

Strona

ścieków

szarych

Temperatu-

ra na wlo-

cie [˚C]

5 35 5 35 5 35 5 35

Temperatu-

ra na wylo-

cie [˚C]

23,6 10 25,1 8 23,7 10 25,2 8

Strumień

masy

[kg/h]

266,07 198,57 266,04 198,47 1328,55 994,02 1328,38 993,57

Strumień

objętości

[dm3/min]

4,43 3,33 4,43 3,33 22,13 16,65 22,13 16,65

Moc ciepl-

na [kW] 5,77 6,23 28,87 31,18

LMTD [K] 7,76 5,77 7,74 5,76

Strumień

cieplny

[kW/m2]

3,682 3,977 2,908 3,140

Moc cieplną Qd, którą należy pozyskać ze źródła niskotemperaturowego obliczono

ze wzoru [13]:

(2)

gdzie:

Qpc – moc grzejna pompy ciepła (moc oddawana na skraplaczu), kW;


φ – współczynnik wydajności grzejnej pompy ciepła na podstawie obiegu Carnota

(bez uwzględnienia charakterystyki silnika), który wyznacza się ze wzoru (3):

(3)

gdzie:

COPc – wydajność pompy ciepła obiegu Carnota, -;

ηpc – stopień doskonałości rzeczywistego obiegu pompy ciepła, który przyjęto

o ηpc = 0,5 [9, 13].

Natomiast wydajność pompy ciepła można ustalić ze wzoru (4):

(4)

gdzie:

Tc – temperatura skraplania, ˚C;

Te – temperatura odparowania, ˚C.

Określenie mocy dolnego źródła ciepła dla obliczonego strumienia przepływu

ścieków szarych, które ustalono jako qść = 200 dm3/h dla budynku wielorodzinnego

zamieszkanego przez 40 osób i 1000 dm3/h dla obiektu przeznaczonego dla 200 osób

wyznaczono ze wzoru:

ś ś ( ) (5)

gdzie:

qśr h – średni godzinowy przepływ ścieków szarych, m3/h;

cść – ciepło właściwe ścieków szarych, kJ/(kg∙K);

ρść – gęstość ścieków szarych, kg/m3;

Tc – temperatura na wejściu do parownika, ˚C;

Tz – temperatura na wyjściu z parownika, ˚C.

Rzeczywistą moc grzewczą dla obliczonego strumienia ścieków można określić

przekształcając wzór (2) w zależność:

(6)

Analizując wyniki zamieszczone w tabeli 4 można zauważyć, że przy takich wa-

runkach eksploatacji zastosowanie pompy ciepła (wariant I dla 40 osób) jest nierealne,

ponieważ nie produkuje się pomp ciepła woda/woda o tak małej wydajności. Dobrany

płytowy wymiennik ciepła odbiera całe ciepło ze ścieków szarych. Pompa ciepła jest

wobec powyższych obliczeń niepotrzebna dla tak małego przepływu ścieków szarych.


Przekształcając wzór (5) można obliczyć wymagany strumień objętości ścieków

w celu całkowitego pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową:

ś ś ( ) (7)

Wyniki obliczeń doboru pomp ciepła dla poszczególnych wariantów zestawiono

w tabeli 4.

Tabela 4. Zestawienie wyników obliczeń doboru pomp ciepła zgodnie z [13]

Zestawienie obliczeń doboru pompy ciepła


Wariant obliczeniowy I III I III

Obliczeniowa moc grzewcza pompy ciepła [kW] 29,71 50,85 125,92 216,13

Obliczeniowy współczynnik wydajności grzewczej φ [kW] 3,26

Obliczeniowa moc dolnego źródła Qd [kW] 20,60 35,25 87,29 149,83

Wymagane natężenia przepływów ścieków [m3/h] 3,56 1,02 15,07 4,32

Rzeczywista moc dolnego źródła dla przepływu ścieków

szarych Qd [kW] 1,16 6,93 5,79 34,64

Rzeczywista moc grzewcza pompy ciepła dla przepływu

ścieków szarych Qpc [kW] 1,67 10,00 8,35 49,97

Rzeczywista temperatura do jakiej możliwe jest podgrzanie

c.w.u. Tc [˚C] 29,0 37,3 29,1 37,4

Rzeczywisty współczynnik efektywności grzewczej na

podstawie obiegu Carnota φ 6,29 4,80 6,27 4,79

Z danych zamieszczonych w tabeli 4, strumienie ścieków rzędu 3,56 m3/h

i 1,0 m3/h - w przypadku obiektu zamieszkanego przez 40 osób oraz dla 15,07 m

3/h

i 4,32 m3/h - w obiekcie przeznaczonym dla 200 osób, nie są możliwe do uzyskania

w analizowanych budynkach wielorodzinnych. Rozwiązaniem tego problemu może

być wykorzystanie ścieków z kilku budynków jako źródła niskotemperaturowego dla

potrzeb pompy ciepła zainstalowanej w jednym z nich. W innym przypadku pompa

ciepła pokryje zapotrzebowanie na ciepłą wodę tylko w ograniczonym stopniu, które

można ustalić z wzoru:

( ) (8)

gdzie:

qśr h – średni godzinowy przepływ zimnej wody, dm3/h;

cw – ciepło właściwe wody, kJ/(kg∙K);

ρ – gęstość wody, kg/m3;

Tc – temperatura na wyjściu ze skraplacza, ˚C;

Tz – temperatura na wejściu do skraplacza, ˚C.


Przekształcenie wzoru (8) pozwala określić temperaturę do jakiej możliwe jest

podgrzanie zimnej wody sieciowej przy obliczonych parametrach strumienia ścieków:

(9)

Rzeczywiste współczynniki wydajności grzewczej φ obliczono ze wzorów (3) i (4).

4. OCENA EFEKTYWNOŚCI FINANSOWEJ INWESTYCJI

W celu oceny efektywności finansowej zastosowania omówionych wariantów od-

zysku ciepła ze ścieków przeprowadzono analizę finansową zgodnie z metodą z [15].

W tabeli 5 zestawiono wyniki obliczeń zapotrzebowania na ciepło dla celów przygo-

towania ciepłej wody użytkowej, przy wykorzystaniu odzysku ciepła ze ścieków sza-

rych.

Tabela 5. Zestawienie wyników zapotrzebowania na ciepło dla celów przygotowania ciepłej wody użyt-

kowej dla budynku wielorodzinnego przy wykorzystaniu odzysku ciepła ze ścieków


Wariant II III I II III

Średnie dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę

użytkową qśr d [dm3/d] 4800 24000

Średnie godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę

użytkową qśr h [dm3/h] 266,7 1333,33

Średnia moc układu ciepłej wody użytkowej Qśr h

[kW] 7,63 3,89 32,00 38,01 19,25

Maksymalne godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą

wodę użytkową qmax h [dm3/h] 1010,79 3413,32

Maksymalna moc układu ciepłej wody użytkowej

Qmax h [kW] 28,85 14,70 81,83 97,2 49,24

Objętość zasobnika ciepłej wody użytkowej Vz [dm3] 625 2205

Typ zasobnika ciepłej wody użytkowej

Vitocell 100-L

o pojemności 750 l

z grzałką elektrycz-

ną [8]

3 x Vitocell 100-L

o pojemności 750 l

z grzałką elektryczną [8]

Współczynnik redukcji ψ [-] 0,54 0,68

Zredukowana moc układu do przygotowania ciepłej

wody Qz [kW] 17,50 8,92 62,52 74,27 37,62

Z przedstawionych powyżej wyników obliczeń wynika, że dzięki zainstalowaniu

systemu do odzysku ciepła ze ścieków szarych możliwe jest znaczne obniżenie zredu-


kowanej mocy układu do podgrzewania ciepłej wody. W tabeli 6 przedstawiono po-

równanie mocy układów bez i z systemem odzysku ciepła.

Tabela 6. Porównanie mocy układów do przygotowywania ciepłej wody użytkowej




wody bez odzysku ciepła Qz [kW] 31,78 135,08


wody z odzyskiem ciepła Qz [kW] 17,50 8,92 62,52 74,27 37,62

Obniżka mocy [kW] 14,28 22,86 72,56 60,81 97,46

Analizując wyniki zamieszczone w tabeli 6 można zauważyć, że największa ob-

niżka mocy do przygotowywania ciepłej wody użytkowej występuje w przypadku

zastosowania wariantu III instalacji odzysku ciepła ze ścieków szarych czyli pompy

ciepła.

Na rysunku 7 przedstawiono przykładowy wykres jednostkowych kosztów pompy

ciepła w zależności od mocy cieplnej urządzenia. Na jego podstawie określono koszty

inwestycyjne pomp ciepła.

Rys. 7. Jednostkowy koszt pompy ciepła w zależności od mocy cieplnej urządzenia według [7]

W tabeli 7 zamieszczono koszty poszczególnych elementów układu składających

się na całkowite koszty inwestycyjne. Założono, że koszt osprzętu i materiałów dla

instalacji wynosi 20% według propozycji [9], armatury kontrolno-pomiarowej

i układów sterujących - 40%, natomiast koszt montażu - 60% całkowitych kosztów

zakupu środków trwałych wchodzących w skład systemu do odzysku ciepła, według

własnych opracowań materiałów [14]. Przyjęto, że koszt filtra ścieków szarych wyno-

si 1000 zł. W informacjach uzyskanych w firmach budowlanych i biurach projekto-

wych koszt prac budowlanych, ziemnych i architektonicznych wynosi 30%, koszt


nadzoru robót i konsultacji 40% całkowitych kosztów zakupu środków trwałych, na-

tomiast koszt projektu wynosi orientacyjnie 50000 zł - w budynku zamieszkanym

przez 40 osób i 250000 zł - w budynku przeznaczonym dla 200 osób ze względu na

indywidualność. Założono również koszty uruchomienia i wydatków nieprzewidzia-

nych, kolejno 12% i 20% całkowitych nakładów inwestycyjnych według propozycji

[14].

Tabela 7. Zestawienie kosztów inwestycyjnych systemów odzysku ciepła



Płytowy wymiennik ciepła [zł] 4750,08

[3] -

14800,41

[3]

14800,41

[3] -

Pompa ciepła [zł] - 24810,94 21770,55 - 52954,53

Pompa ścieków szarych MAGNA3

[zł] 4575,78 [2]

Zasobnik ciepłej wody użytkowej

z podgrzewaczem elektrycznym

[zł]

17264 [8] 51792 [8]

Filtr [zł] 1000

Zbiornik akumulacyjny ścieków

szarych [zł] 1200 [4] 3333 [4]

Koszt osprzętu i materiałów dla

instalacji układu odzysku ciepła

[zł]

5757,97 9770,14 19454,35 15100,24 22731,06

Koszt montażu urządzeń [zł] 17273,92 29310,43 58363,04 45300,71 68193,19

Aparatura kontrolno-pomiarowa

i układy sterujące [zł] 11515,94 19540,29 38908,70 30200,48 45462,12

Prace budowlane, ziemne i archi-

tektoniczne [zł] 8636,96 14655,22 29181,52 22650,36 34096,59

Koszty nadzoru robót i konsultacji

[zł] 11515,94 19540,29 38908,70 30200,48 45462,12

Koszty projektu [zł] 50000 50000 250000 250000 250000

Koszty uruchomienia [zł] 13618,87 23000,05 63850,57 56274,42 63552,05

Wydatki nieprzewidziane [zł] 22698,12 38333,42 106417,61 93790,69 105920,08

Koszt sumaryczny

Ʃ [zł] 169807,58 253000,56 702356,23 619018,57 699072,52

Pobór mocy elektrycznej przez pompę ścieków szarych wynosi 27,4 - w budynku

zamieszkanym przez 40 osób i 32,3 W - w budynku przeznaczonym dla 200 osób.

Realizacja analizowanego przedsięwzięcia zapewni oszczędności wynikające ze

zmniejszenia zapotrzebowania na energię w celu przygotowania ciepłej wody użytko-

wej, a co za tym idzie nastąpi zredukowanie opłat za pobór energii elektrycznej.

Czas eksploatacji opisanego systemu, który odpowiada czasowi bezawaryjnej pra-

cy sprężarek pomp ciepła przyjęto na 25 lat, zgodnie z zaleceniami producentów. Do


obliczeń przyjęto aktualną cenę energii elektrycznej w taryfie G11, która w Rzeszowie

wynosi 0,59 zł/kWh [5]. Natomiast obliczenia wartości zaktualizowanej netto przed-

sięwzięcia przeprowadzono przy założeniu wartości stopy dyskontowej na poziomie

8%. Wyniki tych obliczeń przedstawiono w tabeli 8.

Tabela 8. Zestawienie wyników analizy efektywności finansowej analizowanej inwestycji



Koszt energii elektrycznej zużytej

przez system odzysku ciepła

[zł/rok]

59,01 4544,75 2933,71 69,56 22530,56

Koszt odzyskanego ciepła [zł/rok] 30751,98 49229,01 156257,96 130954,34 209880,11

Zaoszczędzona kwota [zł/rok] 30692,97 44684,26 153324,25 130884,78 187349,55

NPV [zł] 157833,01 223993,91 934345,82 778147,16 1300842,00

IRR [%] 17,77 17,34 121,25 133,35 126,80

Prosty okres zwrotu inwestycji

[lata] 5,53 5,66 4,58 4,73 3,73

Wartość zaktualizowana netto analizowanego wariantu NPV, wewnętrzna stopa

zwrotu IRR oraz prosty okres zwrotu wyznaczono na podstawie [15], przy założonej

wartości stopy dyskontowej r = 8%. Otrzymane wyniki obliczeń wykazały, że progno-

zowane zdyskontowane wpływy z realizacji projektu przewyższają swą wartością

nakłady inwestycyjne. Potwierdza to finansową zasadność realizacji inwestycji.

Również otrzymane wartości IRR świadczą o tym, że inwestycja powinna zostać zrea-

lizowana, gdyż przewyższa ona przyjętą do obliczeń stopę dyskontową.

Okres zwrotu inwestycji dla rozpatrywanych wariantów systemów odzysku ciepła

jest stosunkowo szybki i wynosi on poniżej 6 lat - w budynku zamieszkanym przez

40 osób (rys. 8) i 5 lat - w budynku przeznaczonym dla 200 osób (rys. 9). Jednak wa-

riant III, polegający na zastosowaniu pompy ciepła, pozwala po kolejnych 6 latach

zaoszczędzić o 39% większą kwotę w stosunku do wariantu II - w budynku zamiesz-

kanym przez 40 osób, natomiast w obiekcie przeznaczonym dla 200 osób - kwotę

większą o 16% w stosunku do wariantu I i o 43% w porównaniu do wariantu II.

5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI

Układ odzysku ciepła z wymiennikiem płytowym, pompą ciepła jak również

z dwoma tymi urządzeniami jednocześnie, to inwestycja, w której finansowanie

i zwrot poniesionych kosztów na termomodernizację instalacji następuje ze środków

uzyskanych z ciepła odzyskanego ze ścieków. Zastosowanie systemów odzysku ciepła

w obiektach wielorodzinnych może nie pokryje całkowitego zapotrzebowania na cie-


płą wodę użytkową, ale przyniesie znaczne oszczędności w zakresie podgrzewania

wody wodociągowej przy wykorzystaniu ciepła odpadowego. Należy podkreślić, że

płytowy wymiennik ciepła jest stosunkowo tani i prosty w montażu, i może przynieść

znaczne oszczędności energii.

Rys. 8. Zwrot kosztów inwestycji układów odzysku ciepła w budynku wielorodzinnym

o liczbie mieszkańców 40 osób

Rys. 9. Zwrot kosztów inwestycji układów odzysku ciepła w budynku wielorodzinnym

o liczbie mieszkańców 200 osób

Przedstawione w niniejszym artykule wyniki obliczeń efektywności finansowej za-

stosowania systemu odzysku ciepła w budynkach wielorodzinnych uzasadniają celo-

wość ich użycia w celu redukcji ilości zużywanej energii. Czas zwrotu inwestycji

w instalację odzysku ciepła ze ścieków jest bardzo krótki, bowiem wynosi on mniej

niż 6 lat funkcjonowania układu. Najszybciej zwrócą się koszty zastosowania pompy

ciepła w budynku przeznaczonym dla 200 osób, bo już po 3 latach i 9 miesiącach.

Wykazano, że najbardziej efektywny pod względem energetycznym i ekonomicznym

jest wariant III, w którym zastosowano samą pompę ciepła. Porównując ustalone dane

należy zaznaczyć, że im większy jest strumień objętościowy ścieków szarych, tym

system odzysku ciepła działa efektywniej.

Odzysk ciepła ze ścieków szarych przy użyciu pompy ciepła jest technicznie moż-

liwy i ma sens głównie tam, gdzie usuwane są odpowiednio duże strumienie tych

ścieków. Rozwiązaniem tego problemu może być wykorzystanie ścieków z kilku bu-


dynków jako źródła niskotemperaturowego dla potrzeb pompy ciepła zainstalowanej

w jednym z nich.

LITERATURA

[1] BOROWIECKI M, KOLASZEWSKI A, WIĘCEK K., Odzysk ciepła ze ścieków w pralniach prze-

mysłowych, Rynek Instalacyjny, 2012, Nr. 10, 80-83.

[2] Cennik pomp firmy Grundfos, 2013, www.pl.grundfos.com.

[3] Cennik wymienników ciepła firmy Danfoss, 2013, http://www.danfoss.com/poland.

[4] Cennik zbiorników akumulacyjnych, www.bojlery.pl.

[5] Ceny prądu w Polsce [dostęp 17 listopada 2013]. Dostępny w Internecie:

http://zaklad.energetyczny.w.interia.pl.

[6] CHUDZICKI J., SOSNOWSKI S., Instalacje wodociągowe: projektowanie, wykonanie, eksploata-

cja, Wydawnictwo „Seidel-Przywecki”, Warszawa 2011.

[7] GROCHAL B. J., Pompy ciepła małe i duże, racjonalizacja użytkowania energii [dostęp 17 listopa-

da 2013]. Dostępny w Internecie: http://www.ozewortal.pl.

[8] Katalog firmy Viessmann, www.viessmann.pl.

[9] KUSTO Z., Uwarunkowania ekonomicznej efektywności pomp ciepła, IMP PAN, Gdańsk 2006.

[10] PISAREV V., Projektowanie instalacji grzewczych z pompami ciepła, Oficyna Wydawnicza Poli-

techniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2013.

[11] PN–92/B–01706: Instalacje wodociągowe – wymagania w projektowaniu.

[12] Program Danfoss Hexact (1.5.7b) do doboru wymienników ciepła firmy Danfoss, wersja elektro-

niczna.

[13] RUBIK M., Pompy ciepła. Poradnik, Ośrodek Informacji: „Technika instalacyjna w budownictwie”

Warszawa 2000.

[14] SKOREK J., Ocena efektywności energetycznej i ekonomicznej gazowych układów ko generacyj-

nych małej mocy, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002.

[15] SŁYŚ D., KORDANA S., Odzysk ciepła odpadowego w instalacjach i systemach kanalizacyjnych,

Wydawnictwo i Handel Książkami „KaBe”, Krosno 2013.

[16] Water saving products. Water efficient washing machines [dostęp 17 listopada 2013]. Dostępny

w Internecie: http://www.which.co.uk.

TECHNICAL AND ECONOMIC ANALYSIS OF THE APPLICATION OF THE WASTEWATER

HEAT RECOVERY SYSTEM IN A APARTMENT BUILDING

This thesis contains issues related to the applying heat recovery systems with greywater in multifami-

ly buildings. The author presented the principle of a heat recovery system using the heat pump, heat

exchanger and also both devices simultaneously. A comparison of the discussed systems with others,

without the use of heat recovery, together with the underlying financial and technical analysis of their

application has been done.

Documents

ANALIZA TECHNICZNA I FINANSOWA INSTALACJI DO … · PN-92/B-01706: temperatura wody zimnej T z = 5 ˚C [11], woda podgrzana jest do odpowiedniej temperatury, dolne źródło ciepła